JP4394974B2 - 気体燃料を筒内噴射する内燃機関と内燃機関の点火方法 - Google Patents

Description

本発明は、メタンガス、ブタンガス、プロパンガス、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の有機ガス、あるいはこれ等の有機ガスに水素ガス等を混合している気体燃料を筒内噴射し、噴射された気体燃料の噴流に点火して爆発させる内燃機関とこの内燃機関の点火方法に関し、とくに気体燃料である天然ガスを筒内噴射して、噴射された噴流に点火して爆発させるのに最適な内燃機関とこの内燃機関の点火方法に関する。

ディーゼルエンジンは、燃料消費率の優れた内燃機関である。低負荷の状態においても、ガソリンエンジンのように吸入する空気量を減少させないからである。この状態で、燃料を極めて薄い混合比で燃焼させることが燃料消費率を高くしている。ただ、ディーゼルエンジンは、排気ガスに多量の窒素酸化物や微細な未燃焼カーボンが含まれるので、クリーンな排気を実現することが極めて難しい。とくに、燃料に含まれる硫黄分が触媒の弊害となり、触媒で排気ガスを綺麗にするのも難しい。火花点火の内燃機関は、ディーゼルエンジンに比較して排気ガスをクリーンにできるが、燃料消費率がディーゼルエンジンに比較して悪くなる。とくに、低負荷時の燃料消費率が悪くなる性質がある。低負荷時には吸入する空気量を少なくするので、実質的な圧縮比が低下するからである。低負荷時にシリンダーに吸入する空気量を少なくする必要があるのは、シリンダー内に吸入される空燃比を、つねに理想に近い一定の混合比とするからである。低負荷のときに、空気に対する燃料の比率を低くして、理想の混合比に比べて著しく薄い混合比にすると、シリンダー内で正常に燃焼できなくなる性質がある。このため、低負荷時には、吸入する燃料を少なくするために、空気も一緒に少なくする必要があり、このことが低負荷時の燃料消費率を悪くしている。自動車の燃費を向上するためには、内燃機関の低負荷における燃料消費率を向上することが大切である。自動車等の内燃機関は、ほとんどの状態で低負荷な状態で運転されるからである。低負荷の運転状態でいかに燃料消費率を向上できるかが、現実の自動車の燃費に大きく影響を与える。

筒内噴射の内燃機関は、低負荷の燃料消費率を向上できる極めて優れた特長がある。この特長が、自動車に搭載される割合を急激に増加させる原因となっている。筒内噴射が低負荷の燃料消費率を向上できるのは、薄い混合比で燃焼できるからである。空気と燃料とをあらかじめ混合してシリンダーに吸入する従来の内燃機関は、燃料の混合比を理想値よりも低くすると正常に燃焼できなくなるが、筒内噴射の内燃機関は、空気に対する燃料の比率を極めて低くして正常に燃焼できる性質がある。

以上の特長が生かされて、筒内噴射の内燃機関は、自動車の燃費を相当に向上させている。現在、ガソリンをシリンダー内に直接に噴射する内燃機関が市販されている。ガソリンを筒内噴射する内燃機関は、噴射ノズルから噴射された噴流を、吸気弁から吸入された空気流と共に流動させてピストンの頂上面で渦流を発生させて方向転換し、その後点火プラグで点火して爆発させる。この内燃機関は、空気の渦流で、シリンダー内に噴射されたガソリンをより点火しやすいように気化させる。ガソリンをより効率よく完全燃焼させるために、空気の流動を発生させて強制的に撹拌し、その後に点火している。

ガソリンに代わって、天然ガス等の気体燃料をシリンダー内に直接に噴射する筒内噴射の内燃機関が開発できると、優れた燃料消費率としながら、極めて綺麗な排気ガスの内燃機関を実現できる。とくに、天然ガスは埋蔵量が膨大であるため、完全燃焼して燃料消費率を高くできるなら、自動車用の燃料として理想的なものとなる。さらに天然ガスは気体であるためにシリンダーで空気と混合されやすく、完全燃焼できるなら、未燃焼カーボンの排出量を極めて少なくできる特長がある。さらに、噴射弁からシリンダー内に噴射された気体燃料の噴流に直接に点火できるなら、気体燃料をシリンダーの内壁で冷却されないように燃焼できるので、未燃焼カーボンを著しく少なくできる。しかしながら、天然ガス等の気体燃料を筒内噴射する内燃機関は、気体燃料を正常に燃焼させるのが現実には極めて難しい。このため、天然ガス等の気体燃料を、あらかじめ空気と混合してシリンダー内に吸入するタイプの内燃機関を搭載する自動車は実用化されて現実に市販されているが、気体燃料を筒内噴射する内燃機関を搭載する自動車は未だに市販されていないのが実状である。

とくに、天然ガスは筒内噴射して、正常に点火して燃焼させることができない。この欠点を解消するために、本発明者等は、噴流に対して特定の位置で火花放電させる筒内噴射する内燃機関を開発した（特許文献１参照）。
特開２００３−２５４０６８号公報

特許文献１に記載する内燃機関は、噴流の特定の位置である噴流境界領域で火花放電させて点火する。噴流境界領域は、噴流の外側部分にあって、気体燃料と空気とを点火しやすい理想の状態とする領域である。気体燃料は、噴流境界領域で点火プラグを火花放電させて点火できる。ただ、気体燃料を天然ガスとする場合、噴流に点火されても、その後に噴射される気体燃料で火種が吹き消されてしまう欠点がある。とくに、気体燃料の噴射圧が高くなるとこの傾向が強くなる。図１は、横軸に気体燃料の噴射圧を、縦軸に気体燃料が燃焼される確率を示している。この図において、特許文献１に記載される内燃機関の燃焼状態を鎖線Ｃで示している。この図から明らかなように、噴流境界領域に点火する内燃機関は、気体燃料の噴射圧を２ＭＰａ以上にすると次第に燃焼確率が悪くなり、２．３ＭＰａを越えると燃焼できなくなる欠点がある。天然ガスを筒内噴射して、その噴流に直接に点火する内燃機関は、気体燃料の噴射圧を高くすることが要求される。それは、短時間に気体燃料をシリンダー内に噴射し、噴射された気体燃料を燃焼するエネルギーでピストンを効率よく降下させるためである。これに対して、気体燃料を拡散燃焼させる内燃機関は、気体燃料の噴射圧を低くできる。それは、ピストンが降下位置にあるときに気体燃料をシリンダー内で噴射し、これを拡散させて空気と予混合して点火するからである。

したがって、噴流に直接に点火する筒内噴射の内燃機関は、高圧縮比のもとで気体燃料の噴射圧を高くしながら、気体燃料を効率よく燃焼できることが大切である。このことにより、高い熱効率が実現できるからである。本発明は、このことを実現することを目的に開発されたものである。したがって、本発明の重要な目的は、気体燃料を高い圧力で噴射しながら、筒内噴射される気体燃料の噴流に確実に点火して燃焼できる筒内噴射する内燃機関と内燃機関の点火方法を提供することにある。

本発明の気体燃料を筒内噴射する内燃機関は、吸入した空気を加圧するピストン２を内蔵するシリンダー１と、このシリンダー１内に、加圧された気体燃料を噴射する噴射弁３と、この噴射弁３の開閉を制御する制御部５と、噴射弁３からシリンダー１内に噴射される気体燃料の噴流に点火する点火プラグ４とを備える。この内燃機関は、噴射弁３が気体燃料を噴射する噴射時間帯に点火プラグ４を火花放電させて、気体燃料の噴流に点火する。さらに、本発明の内燃機関は、噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止する一時休止時間を設けて噴流の流速を低下させる流速減速時間帯を設けており、この流速減速時間帯に点火プラグ４を火花放電させて噴流に点火する。

本発明の内燃機関は、点火プラグ４が気体燃料の噴流に点火する点火位置を、噴孔３Ａから噴射された噴流がピストン２の頂上面に衝突するよりも前位置であって、噴射弁３の噴孔３Ａから２〜３０ｍｍ離れた位置であり、かつ噴流境界領域よりも内側とすることができる。

本発明の内燃機関は、一時休止時間に点火プラグ４に火花放電させて、噴流の流速減速時間帯に点火することができる。さらに、本発明の内燃機関は、噴射時間帯に複数回の一時休止時間を設けることができる。

さらに、本発明の内燃機関は、噴射弁３から噴射された気体燃料を減速衝突部１０に衝突させて流速を遅くし、減速衝突部１０で減速される噴流に点火プラグ４が点火することができる。減速衝突部１０は、ロッドとし、あるいは、点火プラグ４の電極８とすることができる。さらに、本発明の内燃機関は、減速衝突部１０の下流で点火プラグ４が噴流に点火することができる。

本発明の内燃機関は、気体燃料を有機ガスとすることができる。とくに、本発明の内燃機関は、噴射弁３が天然ガスを噴射することができる。さらに、本発明の内燃機関は、点火プラグ４と噴射弁３を一体構造として、シリンダー１に脱着できるように装着することができる。

本発明の気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法は、空気を吸入しているシリンダー１内に噴射弁３から加圧された気体燃料を噴射し、点火プラグ４の火花放電で気体燃料の噴流に点火して爆発させる。この点火方法は、噴射弁３が気体燃料を噴射する噴射時間帯に点火プラグ４を火花放電させて、気体燃料の噴流に点火する。さらに、本発明の内燃機関の点火方法は、噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止して噴流の流速を低下させ、流速の低下した噴流に点火プラグ４の火花放電で点火し、その後、さらに気体燃料を噴射して爆発させる。

本発明の内燃機関の点火方法は、噴孔３Ａから噴射された噴流がピストン２の頂上面に衝突するよりも前位置であって、噴射弁３の噴孔３Ａから２〜３０ｍｍ離れた位置であり、かつ噴流境界領域よりも内側で点火プラグ４を火花放電させて気体燃料の噴流に点火することができる。

本発明の内燃機関の点火方法は、気体燃料の噴射を一時的に休止するときに点火プラグ４を火花放電させて噴流の流速減速時間帯に点火することができる。さらに、本発明の内燃機関の点火方法は、噴射弁３が天然ガスを噴射することができる。さらにまた、本発明の内燃機関の点火方法は、噴射時間帯に複数回の一時休止時間を設けることができる。

さらに、本発明の内燃機関の点火方法は、噴射弁３から噴射された気体燃料を減速衝突部１０に衝突させて流速を遅くし、減速衝突部１０で減速された噴流に点火プラグ４が点火することができる。

本発明の内燃機関と内燃機関の点火方法は、気体燃料を高い圧力で噴射しながら、筒内噴射される気体燃料の噴流に確実に点火して燃焼できる特長がある。それは、本発明の内燃機関と点火方法が、噴射弁が気体燃料を噴射する噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止する一時休止時間を設けて噴流の流速を低下させており、流速の低下した噴流に点火プラグの火花放電で点火しているからである。

本発明は、噴射時間帯において、噴射弁から連続して気体燃料を噴射するのではなく、噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止する一時休止時間を設けている。噴射時間帯に一時休止時間を設けることによって、噴流の流速を低下させている。本発明は、流速が低下した噴流に点火するので、気体燃料に確実に点火でき、噴流で失火するのが防止される。噴流に点火された火種は、失火することなく次第に大きくなって、次に噴射される噴射に確実に点火して、気体燃料を燃焼させる。このように、噴射弁から噴射される気体燃料の噴流の流速を低下させて、このタイミングで噴流に点火することによって、高い圧力で噴射される気体燃料であっても、噴流による初期火炎の吹き消えを防止して、確実に点火させて正常に燃焼できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための内燃機関とその点火方法を例示するものであって、本発明は内燃機関とその点火方法を下記のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の内燃機関は、気体燃料としてメタンガス、ブタンガス、プロパンガス、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の有機ガス、あるいはこれ等の有機ガスに水素ガスを混合してなる気体燃料を使用するのに適している。とくに、天然ガスを筒内噴射する内燃機関に最適である。

図２と図３の内燃機関は、往復運動するピストン２を内蔵するシリンダー１と、このシリンダー１内に加圧された気体燃料を噴射する噴射弁３と、噴射弁３で噴射された気体燃料の噴流に点火する点火プラグ４と、噴射弁３を制御して気体燃料を噴射するタイミングと噴射量をコントロールする制御部５と、この制御部５に制御されて点火プラグ４を火花放電させて噴流に点火する高圧電源６とを備える。

シリンダー１は、吸気弁７と排気弁（図示せず）を有する。図２は吸気弁７のみを示しているが、排気弁は吸気弁７の後ろに設けられ、あるいは図においては点火プラグ４の右側に排気弁を設けることができる。吸気弁７と排気弁は、カムで往復運動される。吸気弁７は、ピストン２が降下する吸入行程に開弁されて、外気をシリンダー１内に吸入させる。排気弁はピストン２が上昇して燃焼ガスを排気する排気行程で開弁されて、排気ガスを排気する。ピストン２は、クランク軸（図示せず）で往復運動される。ピストン２が降下と上昇を繰り返して２往復するとき、外気を吸入する吸入行程と、吸入した空気を圧縮する圧縮行程と、圧縮した空気に混合された気体燃料を点火して爆発する爆発行程と、爆発して燃焼した排気ガスを排気する排気行程を繰り返す。

噴射弁３は、電磁弁（図示せず）を内蔵している。電磁弁が開弁されると、噴射弁３は加圧状態で供給される気体燃料をシリンダー内に噴射する。ただ、電磁弁が開弁されると直ちに気体燃料が噴射されるのではなく、開弁してから噴射されるまでにわずかの時間遅れがある。電磁弁の開弁時間が短い場合、気体燃料の噴射時間は開弁時間よりも短くなる。電磁弁が閉弁されると、気体燃料の噴射はただちに停止される。噴射弁は、電磁弁の開弁時間で、気体燃料の噴射量を調整する。開弁時間が長いと気体燃料の噴射量は多くなり、短くなると噴射量は少なくなる。気体燃料の噴射量が多くなると内燃機関の出力は大きくなり、噴射量が少なくなると出力は小さくなる。したがって、制御部５は、電磁弁の開閉で気体燃料の噴射量をコントロールして、内燃機関の出力を制御する。

噴射弁３は、噴孔３Ａからシリンダー１内に気体燃料を噴射する。噴射弁３は天然ガス等の有機ガスをシリンダー１内に噴射し、あるいは天然ガス等の有機ガスに水素を混合している気体燃料をシリンダー１内に噴射する。本発明の内燃機関は、噴射弁３から気体燃料を噴射する噴射時間帯に火花放電させて、噴流に点火する。しかしながら、噴射弁３は、噴射時間帯において、連続して気体燃料を噴射しない。噴射弁３は、噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止する一時休止時間を設ける。一時休止時間は噴流の流速を低下させる。したがって、本発明は、噴射時間帯に一時休止時間を設けることで、流速減速時間帯ができるように気体燃料を噴射する。この流速減速時間帯に点火プラグ４が火花放電して噴流に点火する。

図４は、制御部５が噴射弁３の電磁弁を開閉するタイミングチャートを示している。この図のタイミングチャートで噴射される気体燃料の点火位置における流速の変化を図５に示している。ただし、図５は、噴孔３Ａから１２ｍｍ離れた噴射軸上の点火位置における噴流の流速を示している。また、この図は、噴射される気体燃料を天然ガス、噴射弁３に供給される気体燃料の圧力を２ＭＰａとする状態を示している。

このタイミングチャートで電磁弁を開閉する噴射弁３は、噴射時間帯に２回の一時休止時間を設けて気体燃料を噴射する。ただし、噴射時間帯に１回の一時休止時間を設け、あるいは３回以上の一時休止時間を設けることもできる。このタイミングチャートは、以下の順番で電磁弁を開閉して、気体燃料を噴射する。

最初の第１噴射で所定量の気体燃料を噴射する。ここで噴射される気体燃料は、火花放電で点火されて火種となり、これが吹き消されないようにして、次に噴射される気体燃料に確実に点火する。したがって、この第１噴射時間は、火種となって次の気体燃料を確実に点火できる量とする。図４ではこの第１噴射時間を２ｍｓｅｃとしている。

第１噴射の後、気体燃料の流速を遅くするために、第１一時休止時間で気体燃料の噴射を休止する。気体燃料が噴射されなくなると、図５に示すように、気体燃料の流速は減速されて遅くなり、流速減速時間帯ができる。気体燃料、とくに点火が難しい天然ガスは、流速が速いと吹き消されて失火してしまう。したがって、図５に示すように、一時休止時間で流速減速時間帯を設けて、このタイミングで気体燃料に点火する。図４は、この第１一時休止時間を１ｍｓｅｃとしている。

流速減速時間帯で噴流に点火した後、流速を制限しながら、火種を継続させるために第２噴射をしている。第２噴射は、次の第３噴射である主噴射に火種を継続する。第２噴射すると噴流の流速が速くなるので、さらに第２一時休止時間を設けて、点火された噴流の流速が速くなって吹き消されるのを防止している。第２噴射と第２一時休止時間は１ｍｓｅｃとしている。

最後に、主噴射して、点火された火種で気体燃料に確実に点火して燃焼させる。この主噴射は、噴射される気体燃料の量をコントロールして内燃機関の出力を調整する。すなわち、主噴射の時間を長くして出力を大きくすることができる。したがって、主噴射の時間を長くするほど、内燃機関の出力を大きくできる。内燃機関の出力を非常に小さくするとき、たとえば内燃機関をアイドリングさせるときには、この主噴射の時間をもっとも短くする。さらに、第２噴射を中止してさらに出力を小さくすることもできる。図４は、主噴射のタイミングを７ｍｓｅｃとしている。

噴射弁３は制御部５に制御されるが、この噴射弁３が気体燃料をシリンダー１に噴射するタイミングは、ピストン２の位置でコントロールされる。噴射弁３の噴射タイミングは、内燃機関の回転数と気体燃料の噴射量と種類によって最適値が異なる。回転数が速くなると１回転の時間が短くなるので噴射を開始するタイミングを速くする。また天然ガスは燃焼速度が遅いので、噴射を開始するタイミングを速くする。たとえば、噴射弁３が天然ガスの噴射を開始するタイミングは、クランク軸の回転角にして、上死点前１２０度〜上死点後２０度、好ましくは上死点前９０度〜上死点後１０度、更に好ましくは上死点前９０度よりも遅くして上死点よりも前とする。水素は燃焼速度が速いので、水素を混合している気体燃料は、噴射タイミングを天然ガス等の有機ガスのみも気体燃料に比較して遅くすることができる。たとえば、噴射弁３が水素混合気体燃料の噴射を開始するタイミングは、上死点前４５度〜上死点後２０度、好ましくは、上死点前３５度〜上死点後１５度、さらに好ましくは上死点前３５度より遅くて上死点よりも前とする。噴射弁３が気体燃料の噴射を開始してから終了するまでの噴射時間は噴射量で特定される。気体燃料の噴射量は、内燃機関の出力を制御するので、内燃機関の出力が要求される出力となるように、噴射弁３は気体燃料を噴射する。

噴射弁３は、所定の噴射角（β）で気体燃料をシリンダー内に噴射する。噴射角（β）は、たとえば１０度以上で１２０度以下、好ましくは２０度以上で１００度以下、さらに好ましくは２０度以上で９０度とする。噴射弁の噴射角（β）は、図３に示すように、噴流境界がなす角である。噴射弁３の噴射角（β）は、大きすぎても小さすぎても、シリンダー１内で気体燃料を理想的な状態で燃焼できなくなる。噴射角（β）が大きすぎても小さすぎても、気体燃料と空気とを充分に混合できなくなり、また理想的な状態で点火できなくなるからである。噴射弁３の噴射角（β）が小さすぎると、噴流の流速が速くなって、理想的な位置で点火するのが難しくなる。反対に噴射角（β）が大きすぎると、点火位置における気体燃料と空気との混合比を理想的な状態にできなくなる。

点火プラグ４は火花放電して、気体燃料の噴流に直接に点火する。点火プラグ４は、高圧電源６から高電圧の電力が供給されるときに火花放電して、火花放電で噴流に点火する。高圧電源６が高電圧の電力を供給するタイミングは、制御部５に制御される。制御部５は、気体燃料の噴射タイミングに同期して、さらにクランク軸の回転角、クランク軸の回転速度、内燃機関の負荷を検出して、最適な点火タイミングで、高圧電源６の高電圧を点火プラグ４に供給して火花放電させる。

とくに、本発明の内燃機関は、気体燃料の噴射時間帯に点火プラグ４を火花放電させて、気体燃料の噴流に点火する。さらに、噴射時間帯における特定のタイミングで火花放電させて噴流に点火する。噴射弁３から噴射される気体燃料は、噴射を一時的に休止する一時休止時間を設けて噴流の流速を低下させる流速減速時間帯を設けている。点火プラグ４は、この流速減速時間帯に火花放電して噴流に点火する。流速減速時間帯は、図５に示すように、噴流の流速がピークに上昇した後、減速されてピークの流速よりも遅くなる時間帯である。

気体燃料は、流速が速くなると、点火して確実に燃焼される確率が低くなる。高速流動する気体燃料が火種を吹き消すからである。この傾向は、天然ガスのように点火が難しい気体燃料において特に著しい。ピストンで高圧に加圧されるシリンダー内に気体燃料を噴射して、その噴流に直接に点火する筒内噴射の内燃機関は、気体燃料を高い圧力でシリンダー内に噴射する必要がある。必要な量の気体燃料を短時間に確実にシリンダー内に噴射するためである。このため、気体燃料の噴射圧を高くする必要がある。しかしながら、気体燃料の噴射圧が高くなると噴流の流速が速くなって、点火が難しく失火しやすくなる。

本発明の内燃機関は、この弊害を解消するために、気体燃料を連続しては噴射しない。図５の鎖線は、気体燃料を連続してシリンダー内に噴射するときの流速を示している。この図に示すように、気体燃料を連続して噴射すると、流速が速くなって確実に点火できなくなる。この図の実線は、噴射時間帯に一時休止時間を設けて噴射するときの流速を示している。実線で示すように、噴射時間帯に一時休止時間を設けると、流速がピーク値から低くなる流速減速時間帯ができて、流速が遅くなる。流速がピーク値よりも遅くなる流速減速時間帯は、火花放電による噴流の点火を確実にする。この時間帯に点火される火種は、次第に大きくなって、次に噴射される主噴射に確実に点火して燃焼させる。

図１は、本発明の内燃機関が、高い圧縮比のもとで気体燃料の噴射圧を高くして確実に点火できることを示している。この図は、実線Ａで本発明の内燃機関の燃焼特性を示し、鎖線Ｂ、Ｃで比較例の内燃機関の燃焼特性を示している。この図の実線Ａは、図４に示すタイミングで電磁弁を開閉して、シリンダー内に気体燃料を噴射し、流速減速時間帯に火花放電させるときに、気体燃料を燃焼できる確率を示している。ただし、この実線Ａは、点火位置を噴流軸上であって噴孔から１２ｍｍ離れた位置とし、噴射弁３の噴射角（β）を２０度としている。この図から明らかなように、本発明の内燃機関は、実線Ａで示すように、気体燃料の噴射圧を３ＭＰａとして気体燃料を１００％燃焼できる。

鎖線Ｂは、図６に示すように気体燃料を連続して噴射して点火位置を噴射軸上とする内燃機関、鎖線Ｃは、図６に示すように気体燃料を連続して噴射して点火位置を噴流の噴流境界領域とする内燃機関の特性を示している。点火位置を噴射軸上とする内燃機関は、図の鎖線Ｂで示すように、気体燃料の噴射圧を１．５ＭＰａとする状態でほとんど気体燃料を燃焼できなくなる。これを改良する点火位置を噴流境界領域とする内燃機関においても、噴射圧が２．３ＭＰａを越えるとほとんど点火できなくなる。

以上の実施例は、点火位置を噴射軸上で噴孔３Ａから１２ｍｍ離れた位置としているが、点火位置は、噴射弁３の噴孔３Ａから２〜３０ｍｍ離れた位置、より好ましくは噴孔３Ａから２〜２０ｍｍ離れた位置、さらに好ましくは噴孔３Ａから３〜２０ｍｍ離れた位置にあり、かつ噴流境界領域よりも内側とすることができる。点火位置は、好ましくは噴射軸上に配置される。ただ、点火位置は必ずしも噴流の噴射軸上とする必要はなく、噴流境界領域よりも内側で安定して噴流に点火できる。点火位置は、噴孔に近すぎても、反対に遠すぎても安定して噴流に点火できない。火花放電が気体燃料の噴流に安定して点火するためには、気体燃料の流速と空気との混合状態を特定の範囲とする必要があるからである。

点火プラグ４は、火花放電する一対の電極８を有し、電極間の火花放電で気体燃料の噴流に点火する。点火プラグ４が噴流に点火する点火位置は、一対の電極間となる。図７は、一般的な点火プラグ４の電極８の配置を示す。この図の点火プラグ４は、一対の電極間で放電する火花が噴流に点火するので、一対の電極８の中心であるＡ点を点火位置とする。点火プラグ４には、図８に示すように中心電極８Ａの周囲に複数の電極８Ｂを配設するものも使用できる。この構造の点火プラグ４は、中心電極８Ａの周囲に火花放電させて噴流に点火する。したがって、この構造の点火プラグ４は、中心電極８Ａの中心点であるＡ点を点火位置とする。

図２と図３に示す内燃機関は、気体燃料の噴流を減速させる減速衝突部１０を設けている。減速衝突部１０は、噴射弁３から噴射される気体燃料の噴流を衝突させる位置であって、点火プラグ４の上流側に配置される。この内燃機関は、減速衝突部１０の下流側で噴流に点火される。すなわち、点火プラグ４の点火位置を、減速衝突部１０の下流側とする。減速衝突部１０は、噴射弁３から噴射される気体燃料を衝突させて噴流の流速を遅くして点火できる。このため、気体燃料を高圧で噴射して、噴流により確実に点火できる特徴がある。減速衝突部１０が、噴射弁３から噴射された気体燃料を衝突させて流速を遅くし、減速された噴流に点火プラグ４が点火するからである。ただ、本発明の内燃機関は、一時休止時間で流速減速時間帯を設けて、この時間帯に点火プラグ４が点火するので、必ずしも減速衝突部を設ける必要はない。

減速衝突部１０は、好ましくは、噴射軸Ｙに直交し、あるいは所定の角度で交差する姿勢で配置されるロッドである。ロッドの減速衝突部１０は、噴射軸Ｙを通過する位置に、あるいは噴射軸Ｙに接近する位置を通過するように配設される。減速衝突部１０のロッドは、太さで０．５〜２ｍｍとする金属ロッド、あるいはセラミックロッドである。ロッドの減速衝突部１０は、噴孔３Ａに接近させるほど細く、噴孔３Ａから離れるほど太くする。それは、噴孔３Ａに接近する噴流の拡散面積が小さいのでロッドの影響が大きく、噴孔３Ａから離れるにしたがって噴流が大きく拡散するのでロッドの影響が少なくなるからである。噴孔３Ａに近い噴流は拡散する面積が小さいので、細いロッドの減速衝突部１０を配設して噴流を充分に減速できる。噴孔３Ａから離れると噴流の面積が大きくなるので、太いロッドに衝突させて減速する必要がある。この構造の減速衝突部１０は、１本〜複数本のロッドを噴射軸Ｙに交差するように配設することもできる。

減速衝突部１０は、噴射弁３の噴孔３Ａから噴射軸Ｙの方向に、２〜２０ｍｍ、好ましくは３〜１０ｍｍ離れた位置に配設される。減速衝突部１０が噴孔３Ａに近すぎ、反対に遠すぎても、気体燃料を正常に燃焼するのが難しくなるからである。とくに、減速衝突部１０が噴孔３Ａに近すぎると、噴孔３Ａから噴射される噴流の乱れが大きく、正常に燃焼させるのが難しくなる。反対に噴孔３Ａから遠すぎると、噴流を効果的に減速するのが難しくなり、またその下流に位置する点火位置も噴孔３Ａから遠くなって正常に燃焼できなくなる。ただ、減速衝突部は、必ずしも噴射軸と交差する位置に配設する必要はなく、噴射軸上から多少ずれた位置に配設することもできる。このときも、減速衝突部から最短距離にある噴射軸上の点が上述の範囲となるように、減速衝突部を配設する。

減速衝突部１０は、点火位置よりも噴流の上流に配設される。減速衝突部１０と点火位置との相対位置は、最適位置として噴流により効果的に点火できる。とくに、正常に燃焼させるのが難しい天然ガスの内燃機関は、減速衝突部１０と点火位置の相対位置を最適位置として、効率よく点火できる。噴孔３Ａから減速衝突部１０までの噴射軸Ｙの方向における距離は、噴孔３Ａから点火位置までの噴射軸方向の距離の３０〜１００％、好ましくは５０〜１００％とする。この範囲にある減速衝突部１０と点火プラグ４は、減速衝突部１０でもって、気体燃料の噴流を燃焼しやすい状態に減速しながら点火プラグ４で点火して正常に燃焼できる。

図２と図３に示す減速衝突部１０は、ロッドで構成している。ロッドは点火プラグ４の電極８である。点火プラグ４の電極８であるロッドは、その先端を、火花放電させる間隔で対向させて点火位置としている。点火プラグ４の電極８を減速衝突部１０に併用する構造は、特別に減速衝突部１０を設ける必要がなく、エンジンの内部構造を簡単にできる。ただし、点火プラグの電極とは別に減速衝突部を設けることもできる。

図１は、噴射弁３と点火プラグ４を図２と図３に示すように配置している内燃機関における、気体燃料の噴射圧に対する着火確率を示している。したがって、図１は、点火位置の上流に減速衝突部１０を設けている噴流に点火する状態における点火状態を示している。図２と図３は、減速衝突部１０として１．２ｍｍφの金属ロッドである電極８を使用している。金属ロッドの電極８は、噴流に対して直交する姿勢で、噴孔３Ａから５ｍｍ離れた位置に配置している。図１は、減速衝突部１０のある噴流に点火する状態を示しているが、本発明は一時休止時間で流速減速時間帯を設けるので、減速衝突部を設けることなく噴流に効率よく点火することもできる。

図２の内燃機関は、点火プラグ４と噴射弁３を一体構造として、シリンダー１に脱着できるように装着している。この構造は、噴射弁３と点火プラグ４の相対位置、すなわち噴孔３Ａに対する点火位置をずれないように正確に特定できる特長がある。また、点火プラグ４と噴射弁３を一緒に交換して、メンテナンスを簡単にできる特長がある。

以上のように、本発明の内燃機関と内燃機関の点火方法は、気体燃料を高い噴射圧で筒内噴射しながら、確実に点火して効率よく燃焼できるので、点火が難しい天然ガス等の気体燃料を正常に燃焼させることが可能になる。したがって、優れた燃料消費率としながら、極めて綺麗な排気ガスの内燃機関を実現できる。

気体燃料の噴射圧に対する着火確率を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる内燃機関の断面図である。 図２に示す内燃機関の要部拡大断面図である。 制御部が噴射弁の開閉を制御する状態を示すタイミングチャートである。 図４のタイミングチャートで噴射される気体燃料の点火位置における流速の変化を示すグラフである。 気体燃料を連続して噴射する状態を示すタイミングチャートである。 点火プラグの一例を示す要部拡大図である。 点火プラグの他の一例を示す要部拡大図である。

符号の説明

１…シリンダー
２…ピストン
３…噴射弁 ３Ａ…噴孔
４…点火プラグ
５…制御部
６…高圧電源
７…吸気弁
８…電極 ８Ａ…中心電極 ８Ｂ…電極
１０…減速衝突部

Claims (17)

1. 吸入した空気を加圧するピストン(2)を内蔵するシリンダー(1)と、このシリンダー(1)内に、加圧された気体燃料を噴射する噴射弁(3)と、この噴射弁(3)の開閉を制御する制御部(5)と、噴射弁(3)からシリンダー(1)内に噴射される気体燃料の噴流に点火する点火プラグ(4)とを備える内燃機関であって、
   噴射弁(3)が気体燃料を噴射する噴射時間帯に点火プラグ(4)を火花放電させて、気体燃料の噴流に点火すると共に、噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止する一時休止時間を設けて噴流の流速を低下させる流速減速時間帯を設け、この流速減速時間帯に点火プラグ(4)を火花放電させて噴流に点火するようにしてなる気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
2. 点火プラグ(4)が気体燃料の噴流に点火する点火位置が、噴孔(3A)から噴射された噴流がピストン(2)の頂上面に衝突するよりも前位置であって、噴射弁(3)の噴孔(3A)から２〜３０ｍｍ離れた位置であり、かつ噴流境界領域よりも内側にある請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
3. 一時休止時間に点火プラグ(4)に火花放電させて噴流の流速減速時間帯に点火する請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
4. 噴射弁(3)が天然ガスを噴射する請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
5. 噴射時間帯に複数回の一時休止時間を設ける請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
6. 噴射弁(3)から噴射された気体燃料を減速衝突部(10)に衝突させて流速を遅くし、減速衝突部(10)で減速される噴流に点火プラグ(4)が点火するようにしてなる請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
7. 減速衝突部(10)がロッドである請求項６に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
8. 減速衝突部(10)が点火プラグ(4)の電極(8)である請求項６に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
9. 減速衝突部(10)の下流で点火プラグ(4)が噴流に点火する請求項６に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
10. 気体燃料が有機ガスである請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
11. 点火プラグ(4)と噴射弁(3)が一体構造でシリンダー(1)に脱着できるように装着されてなる請求項１に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関。
12. 空気を吸入しているシリンダー(1)内に噴射弁(3)から加圧された気体燃料を噴射し、点火プラグ(4)の火花放電で気体燃料の噴流に点火して爆発させる内燃機関の点火方法において、
    噴射弁(3)が気体燃料を噴射する噴射時間帯に点火プラグ(4)を火花放電させて、気体燃料の噴流に点火すると共に、噴射時間帯に気体燃料の噴射を一時的に休止して噴流の流速を低下させ、流速の低下した噴流に点火プラグ(4)の火花放電で点火し、その後、さらに気体燃料を噴射して爆発させるようにしてなる気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法。
13. 噴孔(3A)から噴射された噴流がピストン(2)の頂上面に衝突するよりも前位置であって、噴射弁(3)の噴孔(3A)から２〜３０ｍｍ離れた位置であり、かつ噴流境界領域よりも内側で点火プラグ(4)が火花放電して気体燃料の噴流に点火する請求項１２に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法。
14. 気体燃料の噴射を一時的に休止するときに点火プラグ(4)を火花放電させて噴流の流速減速時間帯に点火する請求項１２に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法。
15. 噴射弁(3)が天然ガスを噴射する請求項１２に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法。
16. 噴射時間帯に複数回の一時休止時間を設ける請求項１２に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法。
17. 噴射弁(3)から噴射された気体燃料を減速衝突部(10)に衝突させて流速を遅くし、減速衝突部(10)で減速された噴流に点火プラグ(4)が点火する請求項１２に記載される気体燃料を筒内噴射する内燃機関の点火方法。
    

Images